基于数值模拟的光纤光栅传感器与沥青混合料协同变形分析

研究沥青混合料与光纤光栅传感器之间的协调变形性是解决光纤光栅传感器在路面中应用的前提和基础。首先,采用大型有限元软件ABAQUS建立光纤光栅传感器与沥青混合料协调变形评价的有限元模型,模型为四点弯曲加载的沥青混凝土梁试件;而后,分析有无传感器对模拟结果的影响以及不同模量的封装材料和沥青混合料组合下传感器所在区域的应变分布规律。结果表明,在相同的加载条件下,高模量传感器的存在对梁体竖向位移分布的影响较小,但其改变了梁体应力及应变场的分布,使水平拉应力集中在传感器附近,降低了梁的中性面、梁底拉应变和梁体应变场的整体变化幅度,而且梁体竖向中心面上应变随位置仍呈良好的线性关系;进一步模拟分析可得变化传感器的模量对应变在传感器上下表面的突变值影响不大,但随着传感器模量的增大,梁的中性面、梁底拉应变和梁体应变场的整体变化幅度均逐渐降低,且降低的速率随着传感器模量的增大而逐渐减小。     

光纤光栅传感器与沥青混合料协同变形分析

为研究光纤光栅传感器与基体沥青混合料间的协调变形性,采用大型有限元软件ABAQUS建立两者协调变形评价的四点弯曲加载沥青混凝土梁试件模型,分析有无传感器存在对模拟结果的影响以及不同模量的封装材料和沥青混合料组合下传感器所在区域的应变分布规律.结果表明,相同条件下高模量传感器的存在改变了梁体应力场及应变场的分布,使水平拉应力集中在传感器附近,降低了梁底拉应变和梁体应变场的整体变化幅度;传感器模量大小的变化对局部区域影响不大,但对梁整体应变分布影响较大,传感器模量的增大致使梁底水平拉应变和梁体应变场的整体变化幅度均逐渐降低,但其降低的速率在逐渐减小而趋于稳定.     

重载沥青路面结构组合的抗车辙性能分析

为研究结构组合对沥青混合料抗车辙性能的影响,首先对所设计的7种沥青混合料进行动态模量及单层车辙试验,得到基本材料参数及抗车辙性能;然后对7种混合料组合而成的3种路面结构在重载条件下进行双层结构车辙试验,并与单层车辙试验结果进行对比分析;最后,应用光纤光栅智能测试技术对实际路面进行现场应变测试,根据不同路面结构三向应变测试结果评价实际重载沥青路面结构的抗车辙性能．结果表明,单层车辙试验难以准确反映路面结构的抗车辙性能,而双层车辙试验效果良好．在设计抗车辙路面时要考虑不同面层的模量组合,才能最大程度地发挥各层混合料的抗车辙性能．     

沥青路面结构足尺力学响应实测与仿真

为探究沥青路面在荷载作用下力学响应,通过基于辽宁省沥青路面足尺加速加载试验,开展路面结构力学仿真方法及力学响应特征研究.采用光纤光栅传感器实测足尺加速加载路面的面层底部、基层底部和路基顶面的力学响应,利用单轴压缩动态模量试验获取沥青混合料的粘弹性参数,通过FWD弯沉盆反算得到基层及土基的弹性模量,利用接触痕迹得到轮胎的接触面分布;通过单轴压缩动态模量试验及四点弯曲动态模量试验对传感器进行了标定.在此基础上,采用有限元软件ABAQUS建立基于实测参数的路面结构力学仿真模型,分析路面结构在不同加载位置和速度下的力学响应,并与实测结果进行对比.结果表明:所建立的路面力学仿真模型能较合理地模拟沥青层底三向应变、半刚性材料层底纵向、横向应变以及土基顶面的压应力.沥青混合料粘弹特性导致弹性后效,使力学响应曲线表现出非对称特点.随着温度的增加和加载速度的减小,沥青层底三向应变、半刚性基层底的水平应变以及土基顶面压应力的响应幅值增加.     

埋入式FBG传感器应变传递的有限元计算与理论分析比较

目的 研究埋入式光纤光栅(FBG)传感器应变传递规律,验证理论公式的正确性,为实际工程应用提供参考.方法 采用有限元方法 对埋入基体材料内部的光纤光栅FBG应变传感器的各层应变进行计算.结果 光纤应变与外界基体应变的比例系数小于1,封装钢管长度范围内的光纤的应变不为常数,纤芯与涂覆层的应变规律基本相同.结论 几种基本假设中,假定光纤与中间层一起变形,二者应变变化率相近最为合理,在此基础上推导出的理论公式可应用于工程实际.     

岩石变形破坏过程的光纤光栅传感检测方法研究

为探索岩石变形破坏过程的新检测方法,研究了光纤光栅表面粘贴法在岩石单轴压缩实验中的应用.将裸露的光纤光栅分别沿试件的轴向和环向进行粘贴封装,并在同一位置粘贴应变片以对比结果,在MTS伺服机上进行单轴压缩实验,对加载过程中峰前阶段的轴、环向应变变化进行检测研究.结果表明,光纤光栅测试效果明显优于应变片,沿轴向方向与MTS位移计精度相当,相对误差仅为2.8%;环向测试优于MTS的环向应变计。光纤光栅表面粘贴法可以用于岩石的单轴压缩实验,通过应变传递换算后可以实现与MTS相当的测试精度。这对于提高岩石变形检测水平,实现在线监测具有重要意义.     

深部巷道围岩破裂模型试验变形量测研究

针对地质力学模型试验内部变形难以精确量测的难题,以深部巷道围岩破裂模型试验为基础,在模型中布置了布拉格光纤光栅应变传感器和光栅尺位移传感器,对巷道围岩内部的应变和位移进行监测,并布置了电阻应变砖进行对比分析.研究成果表明:1)电阻应变砖、布拉格光纤光栅应变传感器和光栅尺位移传感器测得的围岩内部变形规律基本一致,将光纤光栅应变传感器和光栅尺位移传感器应用于模型试验的内部变形量测是可行的;2)光栅尺位移传感器精度可达到0.001 mm,且具有制作简单、稳定性强、不易损坏等优点,在模型试验中具有广泛的应用前景;3)3种量测手段均揭示出深部巷道围岩内部变形呈现波峰与波谷交替变化,这与模型断面出现的破裂区与非破裂区交替破裂现象相吻合.     

寒区管道光纤光栅变形监测技术试验研究

为了研究寒区埋地输油管道的管道应变与保温层应变的关系,将热缩管封装在PVC管外表面建立带保温层的管道模型,在PVC管和热缩管的外表面分别布设8个光纤光栅传感器,并在管道模型上施加集中荷载开展管道变形监测试验.试验结果表明:同一荷载作用下,光纤光栅传感器测试得到的PVC管道的应变要大于热缩管上的应变,热缩管上应变到PVC管上的应变传递系数为1.40.实际工程测试中,具有良好弹性的保温层管道可以通过在保温层表面布设传感器开展变形监测.     

柔性基层沥青路面抗永久变形设计方程研究

拟定几种柔性基层沥青路面典型结构,通过BISAR程序计算路面内部竖向弹性应变分布规律,采用AI法计算温度变化规律,并用动模量公式计算沥青混合料随温度变化的动模量,同时采用AASHTO2002变形预估模型得到塑性应变与温度和弹性应变的关系式,建立塑性应变随深度的变化规律,选择平均塑性应变处的弹性应变、温度、轴次、层厚以及路面永久变形等参数,通过回归分析得到柔性基层沥青路面抗永久变形设计方程。结果表明:该方程具有很好的相关性。     

利用掺铒光纤光栅实现应变测试中的温度补偿

为实现光纤光栅应变传感器使用中的温度补偿,设计并制作了掺铒光纤光栅测试系统,利用光纤光栅解调仪和高速数据采集卡分别测试了掺铒光纤光栅的布拉格波长及荧光寿命.通过测量在不同温度及应变作用下的光纤光栅布拉格波长及掺铒光纤荧光寿命,并对实验数据进行线性及非线性拟合,得到了掺饵光纤光栅的温度及应变响应测试结果.测试结果显示利用掺铒光纤光栅可以实现应变测试中的温度补偿,在不同测量范围内选择不同的拟合算法可以提高测量精确度.     

New approach for calculating permanent deformation in asphalt pavement

A new approach using the Fiber Bragg Grating(FBG)sensor and viscoelastic model to monitor and analyze the internal strain and temperature of asphalt pavement is proposed.Some parameters including peak strain,temperature and loading time were calculated with the application of multi-dimensional sensors group.These parameters were incorporated with viscoelastic model of five units to evaluate the permanent deformation of pavement.An application example was conducted,and the results show that it is feasible to analyze and calculate the permanent deformation of pavement structures with FBG sensors.     

全温域条件下沥青路面永久变形预估方法

为了准确、快速预估沥青路面沥青层永久变形,以江西省泉南高速吉莲段为试验路段,从全温域角度出发,引入分区分级分层的思想,即温度分区、轴载分级、路面分层,建立了全温域条件下基于叠加原理的沥青路面永久变形预估方法.通过实测及模型计算得到沥青路面全年温度分布、沥青层沿深度的温度分布曲线和全年轴载分布.根据三轴重复荷载试验建立了SMA-13、AC-20、AC-25三种沥青混合料永久应变黏弹性力学修正模型,确定了不同温度区间的平均修正系数,可求解不同温度和偏应力下不同荷载作用次数的沥青混合料永久应变.通过原点增长累积和反算累积叠加两种方法计算得到设计年限内沥青路面沥青层的永久变形.计算结果表明,泉南高速吉莲段按原点法和反算法的容许永久变形使用年限分别为6年和12年。反算法准确度更可靠,更贴合实际。同时,提出了全温域条件下基于叠加原理的沥青路面永久变形预估修正模型,并建立了基于全温域温度分布的沥青路面温度区间内的平均永久变形量与荷载作用次数关系方程和永久变形与温度区间内的平均永久变形量、温度分布频率的关系方程,为全温域条件下沥青路面永久变形快速预估提供一种新方式.     

修正混合律在双相钢拉伸变形行为研究中的应用

运用修正混合律模型对双相钢应力应变分配及其与拉伸变形行为的关系进行了研究,提供了测定随应变变化的应力应变分配系数ｑ的方法。研究表明,利用ｑ值,修正混合律可以很好地描述双相钢拉伸变形行为。随应变的增加,ｑ值变小,应力比σｍ／σｆ增加,应变比εｆ／εｍ减小;两相的变形状态对双相钢的变形行为有重要影响;铁素体迅速应变硬化和铁素体到马氏体的载荷传递使双相钢具有较高的初始应变硬化速率和较高的强度。     

应用数字散斑技术的沥青混合料劈裂应变研究

采用数字散斑相关方法对沥青混合料试件间接拉伸试验中的拉伸应变进行研究.通过程序模拟散斑图的拉伸试验,得出所用数字散斑相关方法处理程序可用,且具有很高精度;通过与应变片测量法、计算法的比较和分析得出数字散斑相关方法的有效性.结果表明,数字散斑相关方法用于测量间接拉伸应变有效可行.     

塑性变形类型与罗德系数的关系

为深入研究各应变参量间的内在联系,推导出应变增量与罗德系数间关系的表达式,直观地给出了不同应变增量间的定量变化关系.对塑性变形类型与罗德系数间的关系进行了定量表征,揭示了塑性变形类型与应力状态的内在联系.对典型工艺的研究结果表明:随着高径比增加,圆环压缩过程中处于伸长类变形区域范围逐渐缩小;随着模角的增大,挤压过程中塑性区内应变类型由均一的伸长类变为3种共存,因此,材料流动的不均匀性也显著地增大.研究结果对塑性理论及其应用具有重要意义.     

沥青稳定碎石基层设计方法研究

对沥青稳定碎石基层所处的自然条件和行车条件及其性能要求进行了分析,并与沥青混凝土面层进行了对比.对于沥青稳定碎石来说,设计中考虑的主要因素是抵抗永久变形和抗疲劳能力,由于沥青稳定碎石基层的集料的最大尺寸和厚度均大于面层沥青混凝土,传统的马歇尔设计方法并不适合于设计沥青稳定碎石基层混合料.本文以能提高抗车辙和耐久性的贝雷法来设计矿料级配,以混合料的最大内粘聚力为主要指标来确定沥青稳定碎石混合料的最佳沥青用量.结果表明,用此方法设计的沥青稳定碎石混合料具有极大的抗永久变形和抗疲劳能力.     

Analyis on the indirect tension displacement and strain field of asphalt mixture based on ABAQUS and DICM

In order to study the damage mechanism of asphalt mixture,it is important to obtain the distribution of displacement and strain of its sample in the indirect tension mode.As a result,the digital image correlation method (DICM) was used to evaluate the displacement field and strain field of asphalt mixture.The results showed that the displacement fields under DICM and ABAQUS are similarly;the strain fields are different due to the different modulus of mastic and aggregate;and DICM is an practical method to study the indirect tension displacement and stain.     

沥青混合料粘弹塑性本构关系及大变形有限元分析一般理论

应用Perzyna’s理论和Mises屈服准则建立沥青混合料粘弹塑性本构方程,并扩展到三维方程;应用Newton-Raphson迭代程序的逐步积分方法,获得了小变形粘弹塑性本构理论增量形式和有限元数值方程。基于小变形本构理论,把其应力应变、应力偏量和等效应力分别改用Cauchy应力的Jaumann导数、变形率、应力偏量和等效应力,推导出大变形粘弹塑性增量形式的本构方程和数值方程,建立了沥青混合料粘弹塑性理论体系。     

An index for deformation controllability of small-volume materials

Mechanical tests on small-volume materials show that in addition to the usual attributes of strength and ductility,the controllability of deformation would be crucial for the purpose of precise plastic shaping.In our present work,a"mechanical controllability index"(MCI)has been proposed to assess the controllability of mechanical deformation quantitatively.The index allows quantitative evaluation of the relative fraction of the controllable plastic strain out of the total strain.MCI=0 means completely uncontrollable plastic deformation,MCI=∞means perfectly controllable plastic shaping.The application of the index is demonstrated here by comparing two example cases:0.273 to 0.429 for single crystal Al nanopillars that exhibit obvious strain bursts,versus 3.17 to 4.2 for polycrystalline Al nanopillars of similar size for which the stress-strain curve is smoother.